Teleskop Webba ujawnia szybki wzrost pierwotnej czarnej dziury

Źródło: NASA

Odkąd w 2022 r. uruchomiono Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba NASA, astronomowie byli zaskoczeni, znajdując supermasywne czarne dziury zamieszkujące wczesny wszechświat - wcześniej, niż uważali za możliwe, biorąc pod uwagę czas potrzebny na zgromadzenie tak dużej masy. Nowe obserwacje jednej z takich pierwotnych czarnych dziur dają wgląd w to, jak to mogło nastąpić - poprzez epizody superdoładowanego wzrostu.

Czarne dziury to niezwykle gęste obiekty o tak silnej grawitacji, że nawet światło nie może z nich uciec. Dzięki ogromnemu przyciąganiu grawitacyjnemu zwiększają masę, wciągając materiał taki jak gaz, pył i gwiazdy, które mają pecha i błądzą w pobliżu.

„Istnienie supermasywnych czarnych dziur we wczesnym wszechświecie podważa nasze obecne modele powstawania i rozwoju czarnych dziur” – powiedział astronom Hyewon Suh z Międzynarodowego Obserwatorium Gemini na Hawajach i NOIRLab, amerykańskiej Narodowej Fundacji Nauki, główny autor badania opublikowanego w czasopiśmie Nature Astronomy.

Nowe obserwacje Webba obejmują supermasywną czarną dziurę zwaną LID-568, która istniała, gdy kosmos miał około 11% swojego obecnego wieku - około 1,5 miliarda lat po Wielkim Wybuchu 13,8 miliarda lat temu, który zapoczątkował wszechświat. LID-568 ma masę około 10 milionów razy większą od masy Słońca, czyli 2-1/2 razy większą niż Sagittarius A*. Naukowcy nie określili jeszcze masy jej macierzystej galaktyki. Zaobserwowano, że LID-568 nabiera masy w tempie szybszym, niż wcześniej sądzono, że jest to możliwe. Webb wykazał, że na podstawie zaobserwowanego wyjścia energetycznego LID-568 wydaje się zużywać opadający materiał - znany jako akrecja - w tempie ponad 40 razy większym od hipotetycznego maksimum, zwanego granicą Eddingtona, dla takiej aktywności.

„Granica Eddingtona to teoretyczna granica maksymalnej energii wyjściowej, jaką czarna dziura może wytworzyć w procesie akrecji. Ta teoretyczna granica zakłada, że ​​siła skierowana na zewnątrz z promieniowania wytworzonego w procesie akrecji równoważy grawitację opadającego materiału” — powiedziała astronomka i współautorka badania Julia Scharwächter z Gemini Observatory i NOIRLab.

Uważa się, że pierwotne czarne dziury powstały na jeden z dwóch sposobów: albo na skutek gwałtownej śmierci pierwszej generacji gwiazd we Wszechświecie, albo na skutek zapadnięcia się dużych obłoków gazu obecnych we wczesnym Wszechświecie.

„Odkrycie LID-568 sugeruje, że znaczna część wzrostu masy może wystąpić podczas pojedynczego epizodu szybkiej akrecji. To może pomóc wyjaśnić, w jaki sposób supermasywne czarne dziury powstały tak wcześnie we wszechświecie, niezależnie od tego, jak powstały” – powiedział Suh.

„Do tej pory brakowało nam obserwacyjnego potwierdzenia, w jaki sposób te czarne dziury mogły tak szybko rosnąć we wczesnym wszechświecie” – dodał Suh.

Kluczowym znakiem rosnącej supermasywnej czarnej dziury jest emisja promieni X, wysokoenergetycznego promieniowania elektromagnetycznego o bardzo krótkich długościach fal. Materiał wirujący wokół supermasywnej czarnej dziury przed jego pochłonięciem jest przegrzewany i silnie świeci w długościach fal rentgenowskich. Naukowcy najpierw dostrzegli LID-568 za pomocą obserwatorium rentgenowskiego Chandra NASA, a następnie zbadali go dokładniej, korzystając z możliwości obserwacji w podczerwieni teleskopu Webba. Obserwacje Webba wskazują na istnienie pewnego rodzaju mechanizmu, dzięki któremu czarna dziura może pochłaniać materię w szybszym tempie, niż wcześniej sądzono.

„LID-568 jest niezwykły ze względu na ekstremalne tempo wzrostu i fakt, że istnieje tak wcześnie we wszechświecie” — powiedział Suh. „Nie wiemy jeszcze, jak LID-568 jest w stanie przekroczyć limit Eddingtona. Aby zbadać go dokładniej, potrzebujemy więcej danych, dlatego planujemy przeprowadzenie obserwacji uzupełniających z Webbem”.